三维(3d)打印或增材制造(AM)是一种流行的技术，作为一种有前途的方法，目前引起了广泛关注的设计和制造革命。研究人员已经将其应用从快速原型扩展到gydF4y2Ba组织工程gydF4y2Ba但大多数3d打印技术只使用一种材料打印零件或使用多个具有复杂机械梯度的离散属性的部件，这些特性无法内聚控制。gydF4y2Ba

相比之下，大多数自然结构，如鱼鳞和gydF4y2Batendon-to-bonegydF4y2Ba是由各种各样的gydF4y2Ba材料gydF4y2Ba具有明显不同的共同作用的性质。作为一种替代方法,gydF4y2Ba功能梯度材料gydF4y2Ba近年来，FGM在提高基板的机械鲁棒性和流动容限方面引起了广泛的研究兴趣。这使得FGM 3d打印在单个过程中具有广泛的可调打印性能，这在材料科学中越来越重要。gydF4y2Ba

最近的一项研究发表在gydF4y2Ba科学的进步gydF4y2Ba，中国和加拿大机械工程、纳米生物力学和先进结构技术等交叉学科的肖匡及其同事提出了一种单缸灰度数字处理(gDLP) 3d打印方法。在这项工作中，他们使用灰度光模式和两级固化油墨来获得具有高分辨率和机械梯度高达三个数量级的功能梯度材料(FGMs)。为了演示该方法，他们开发了具有可控屈曲和变形序列的复杂二维和三维晶格、具有负泊松比的超材料、具有可变刚度的前手术模型、用于4-D打印的复合材料和一种防伪3d打印方法。gydF4y2Ba

3d打印技术一览gydF4y2Ba

为了先进的3d打印应用，研究人员已经演示了PolyJet方法gydF4y2Ba具有多个喷墨打印头gydF4y2Ba将不同的材料同时沉积在印刷床上。然而，这种方法有一些gydF4y2Ba明显的缺点gydF4y2Ba包括高设备成本，严格的树脂要求，有限的材料选择和相对低分辨率的多材料打印模式。gydF4y2Ba

两段固化g-DLP三维打印FGM。(A)通过两阶段固化过程的梯度材料g-DLP打印示意图。DLP 3D打印首先使用混合油墨，然后在加热炉中对打印部分进行热固化。(B)用模型预测了不同灰度光下仅一次曝光(实线)和多次曝光(虚线)下固化材料的归一化转换，曝光时间为20 s，每层固化厚度为60 μm。(C)第一和第二阶段固化后混合油墨的凝胶分数。(D)印刷过程中不同灰度下印刷品的拉伸应力-应变曲线(样本量，>3)。(E)印刷材料的杨氏模量和玻璃化转变温度随灰度的变化。(F和G)利用离散梯度(F)和连续梯度(G)灰度模式对G - dlp实现的梯度材料进行设计、打印弯曲下的部分，并进行相应的有限元模拟。比例尺，5毫米。来源:《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .aav5790gydF4y2Ba

因此，研究人员追求许多其他3d打印方法，包括gydF4y2Ba熔丝加工gydF4y2Ba和直接墨书写，虽然这些技术没有进一步发展，因为印刷速度慢。当他们使用基于数字微镜设备(dmd)的数字光处理(DLP)作为快速、高分辨率的调幅方法时，聚合物树脂固化突然，相比之下太快了。而过去的方法在实际生产具有可调性能的功能梯度材料方面的能力有限。在最近的技术中，科学家开发了连续液体界面生产(CLIP)作为一个真正的突破，提供了接近生产水平的最快的3d打印技术;也与目前的工作有关。gydF4y2Ba

引入g-DLP(灰度数字光印刷)技术开发数字材料gydF4y2Ba

在目前的工作中，Kuang等人开发了一种新的单缸两级固化混合油墨系统，以实现灰度数字光处理(g-DLP) 3-D打印。他们使用双酚A乙氧基二丙烯酸酯(BPADA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、二胺交联剂、丙烯酸正丁酯(BA)、光引发剂和光吸收剂合成了杂化油墨。在实验设置中，他们使用单色光强度设置来逐层固化树脂，类似于CLIP技术。gydF4y2Ba

为此，他们使用透氧膜将固化的部分与窗口分离，以便更快地打印。科学家们首先将设计好的结构切片成对应于单个打印层的图像，然后用MATLAB代码处理每张图像，生成包含所需属性的灰度分布。然后，他们将带有灰度图案的各个图层的图像传递给UV投影仪进行打印。gydF4y2Ba

FTIR光谱显示了用于实际印刷的两阶段固化。(A)使用G70光进行印刷的混合油墨。(B)显示两阶段固化过程中双键演化的放大区域。(C)显示两阶段固化过程中环氧基团演化的放大区域。杂化油墨通过光聚合固化成网状。接下来的热固化导致了双键和环氧基的减少。剩下的单体和悬空官能团，如端端双键和悬空环氧基，会被二胺交联剂进一步反应形成更多的键。来源:《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .aav5790。gydF4y2Ba

在实验过程中，他们诱导自由基基光聚合形成聚合物网络和打印结构，并表明材料的交联密度和模量随着灰度百分比的增加而降低。在工作中，GMA单体和二胺交联剂在热固化过程中起着至关重要的作用，决定了杂化油墨的灰度光聚合效果。gydF4y2Ba

Kuang等人展示了该方法对光强的非线性依赖性，并开发了反应动力学模型，以检查时间依赖性光固化。科学家们通过使用放大倍率较小的光学系统调整软件，或通过增加光吸收剂含量来提高印刷材料的分辨率，防止了基于光泄漏的分辨率降低。gydF4y2Ba

他们用傅里叶变换红外光谱(FTIR)监测了光固化过程中的化学结构演变，并测试了材料的力学和热力学性能。Kuang等人将杨氏模量和玻璃化转变温度(Tg)测试作为灰度百分比的函数来表征新材料。由于该方法提供了通过控制灰度来创建数字材料的潜力，科学家们遵循最初的实验，打印具有分级属性的简单几何样本。gydF4y2Ba

他们还使用有限元建模(FEM)模拟来预测建筑的渐变特性和变形率，以实现连续的渐变模式。这使得Kuang等人制造了一种连续梯度材料，在施加点载荷时，其弯曲曲率不断变化。实验结果与单点弯曲行为的模拟结果一致。gydF4y2Ba

然后，科学家们使用g-DLP来探索研究中晶格和细胞结构的设计和制造。为此，他们首先打印了一个二维晶格结构矩阵，其中包含一个三角形区域的灰度模式和下面的空白区域。在压缩研究中，变形只发生在软材料的三角区域，三角带下的空间没有变形以提供保护该区域下任何材料的屏蔽。科学家们用伴随的应力-应变曲线中的稳定应力降验证了这种受控的屈曲可以增强能量吸收能力。与以往一样，有限元模拟准确预测了实验结果。gydF4y2Ba

Kuang等人随后设计了一个三维晶格结构，他们为每一层分配了不同的灰度值，以获得一个干净、打印的高分辨率晶格。三维晶格结构表现出连续的变形行为，并应用于能量吸收。科学家们可以利用g-DLP打印技术的分级材料特性来制造术前模型。gydF4y2Ba

例如，使用他们的方法打印组织样的结构与生物灵感模拟创造骨骼(灰度GgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba软性肌肉(GgydF4y2Ba_85gydF4y2Ba)和皮肤gydF4y2Ba_70gydF4y2Ba)结构。他们还能够设计一个具有软性肌肉的小型假肢结构(GgydF4y2Ba_85gydF4y2Ba)和坚硬的骨头gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)，使用g-DLP方法打印。Kuang等人建议使用该技术设计具有患者特定物理特性的定制架构gydF4y2Ba那些将要动手术形式模型gydF4y2Ba再生医学的组织工程。gydF4y2Ba

4-D打印形状记忆聚合物(SMPs)和扩散辅助加密gydF4y2Ba

g- dlp打印的材料可以在一个温度范围(TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba从14gydF4y2Ba^0gydF4y2BaC - 68gydF4y2Ba^0gydF4y2BaC作为形状记忆聚合物(SMP)，在不同温度下表现为驱动。为了证明这一点，他们设计了一个螺旋图案，当加热到60度时gydF4y2Ba^0gydF4y2BaC开口形成一条直线，随后在冰中冷却，还原到原来的构象。但是，如果用相同的灰度(G20)打印螺旋结构，所有铰链都以相同的速度同时恢复形状，但没有恢复到原来的结构。然后，科学家们通过开发机械臂来研究这种smp的应用。gydF4y2Ba

由于分级材料的模量和T不同gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba，这导致实验系统的扩散率不同。因此，科学家们能够通过不同的染料观察到不同的灰度模式。Kuang等人建议将荧光素着色用于加密和防伪应用。例如，当科学家将QR(快速反应)代码放入使用灰度图案的薄膜中进行打印，然后进行荧光素处理，图案只在紫外线下可见，在可见光下不可见。此外，当Kuang等人将QR码打印为灰度模式，并使用智能手机扫描它时，科学家能够直接链接到通过互联网编码的信息或网站，防止假冒的3d产品。gydF4y2Ba

通过这种方式，Kuang等人开发了一种g-DLP 3-D打印技术，通过两阶段固化，实现了具有复杂形状和可编程功能梯度的高分辨率数字制造。科学家们的目标是优化材料中的成分，使其具有附加的功能gydF4y2Ba印刷gydF4y2Ba应用程序。他们能够直接开发复杂的2-D/3-D晶格、超材料、使用形状记忆聚合物的4-D打印，并生产内置在3-D材料本身的防伪技术。科学家们的目标是进一步改进新的g-DLP方法，以设计未来应用的材料，包括4-D打印的仿生超材料gydF4y2Ba那些将要动手术模型gydF4y2Ba、软机器人和附加制造与根深蒂固的网络安全。gydF4y2Ba

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